河南省污水處理過程中甲烷排放現狀和排放量估算

劉秉濤，徐越群

(1.華北水利水電大學 環境與市政工程學院，河南 鄭州450045;2.石家莊鐵路職業技術學院，河北 石家莊050041)

甲烷(CH4)是僅次于CO2的重要溫室氣體，人為活動造成的CH4排放包括能源活動、工業制造、農業畜牧活動及生活污水及工業廢水處理等［1］. 污水生物處理技術利用微生物自身新陳代謝的生物功能，氧化分解水中的有機污染物和植物性營養物，并將它們轉化為穩定的無機物，從而使水質得到改善.污水生物處理技術主要有好氧法和厭氧法. 在污水好氧法處理過程中，主要是利用人為曝氣或自然曝氣向好氧微生物提供氧氣，使有機物被好氧微生物吸收和分解，如活性污泥法、生物濾池、生物轉盤和氧化塘等.在污水厭氧法處理過程中，有機物在無氧條件下被厭氧微生物作用，轉化為CH4，CO2，H2S 和N2等，如污泥的厭氣消化、厭氧生物反應器和厭氧塘等.產甲烷菌在厭氧或缺氧狀態下利用有機物產生CH4，最主要的排放場所是曝氣池和厭氧池.CH4在厭氧段的排放跟CH4的產生量和污水中CH4的溶解度關系密切，而CH4在好氧段的排放主要跟曝氣量和攪拌作用有關［2－3］.

目前，國內外估算甲烷氣體排放量有3 種方法:實測法、物料衡算法以及排放系數法［4］. 這些方法在使用過程中各有特點，互為補充.實測法的基礎數據通常來自于環境監測站，具有較高的精確度，但要求采集樣品要有代表性，否則測量結果將毫無意義.排放系數法的活動水平數據是在企業正常生產條件下的單位產品的排放物的量，可以通過實測、調查或物料衡算得到.2010年，河南省已經建成城市污水處理廠146 座，建成鄉鎮污水處理廠27 座，全省工業和城鎮生活污水排放量為35.87 億t.其中工業廢水排放量為15.04 億t，占污水排放量的42%;城鎮污水排放量為20.83 億t，占污水排放量的58%，主要污染物化學需氧量為61.97 萬t.以2010年河南省現狀資料為基礎，采用IPCC 推薦的方法［5－6］，分別計算了生活污水處理中甲烷的排放量及工業廢水處理過程中甲烷的排放量，并對計算結果進行了分析和討論.

1 生活污水處理甲烷排放量估算

1.1 估算方法

生活廢水處理甲烷排放采用文獻［7］和文獻［8］所推薦的計算方法，具體公式為

式中:ECH4為清單年份的生活污水處理甲烷排放總量，萬t/a;TOW 為清單年份的生活污水中有機物總量，kg/a;EF 為排放因子，表示甲烷和生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand，BOD)的質量比;R 為清單年份的甲烷回收量，kg/a.

式中:B0為甲烷最大生產能力，表示污水中有機物可生產最大的甲烷排放量，生活污水為1 kg BOD 可生產0.6 kg 的甲烷，工業廢水為1 kg 化學需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD)產生0.25 kg 的甲烷;MCF 為甲烷修正因子.

1.2 活動水平數據

生活污水處理甲烷排放時主要的活動水平數據是污水中有機物的總量，以生化需氧量(BOD)作為重要的指標，包括排入到海洋、河流或湖泊等環境中的BOD 和在污水處理廠處理系統中去除掉的BOD部分.由于我國只有COD 的統計數據資料，所以使用各區域BOD 與COD 的相關關系進行轉換，見表1.

表1 各區域平均BOD/COD 推薦值

2010年，河南省城鎮污水排放量為20.83 億t，只有鄭州市王新莊污水處理廠有生活污水甲烷回收，年回收甲烷 700 萬 m3，由已知的甲烷密度0.000 67 t/m3，可以計算出2010年河南省回收甲烷量為4 690 t.

1.3 排放因子數據

MCF 表示不同處理和排放的途徑或系統達到的甲烷最大生產能力(B0)的程度，也反映了系統的厭氧程度.MCF 可以利用式(3)估算.

式中:WSi為第i 類廢水處理系統處理生活污水的比例;MCFi為第i 類廢水處理系統的甲烷修正因子.根據我國實際情況，利用相關參數，得出全國平均的MCF 為0.165.

生活污水處理甲烷排放估算所采用的排放因子根據河南省的具體情況計算得到. 河南省處于華中區域，由表1可知BOD 與COD 之間的推薦轉化值為0.49.根據式(2)計算出生活污水處理系統的EF值和排入自然水體的EF 值，見表2，表中排放因子采用甲烷和BOD 的質量比.

表2 生活廢水排放因子

1.4 估算結果與分析

根據CH4排放機理，源自生活污水的CH4排放計算可分成兩個部分:污水處理產生的CH4和污水排放產生的CH4，即分為生活污水未處理排入環境產生的CH4和生活污水經處理后排入環境產生的CH4.這里所計算的源自生活污水的CH4排放量實際上是排入環境的生活污水全部排入水體和污水處理廠正常運行條件下的最大CH4排放量. 根據表1可計算出生活污水處理廠削減BOD 量為254 604 t;排入自然水體中BOD 量為21 805 t.

根據活動水平數據、表1中排放因子以及處理系統的BOD 值，計算出2010年河南省生活污水處理甲烷排放量，詳見表3，表中排放因子采用甲烷和BOD 的質量比.

表3 2010年生活污水處理甲烷排放計算表

根據表3可以計算出，2010年河南省生活污水處理廠生活污水處理甲烷產生量為25 205.8 t;生活污水處理廠生活污水處理甲烷回收量為4 690 t;排放入自然水體生活污水處理甲烷排放量為1 248.3 t.

由上面計算可以得出2010年河南省生活污水處理甲烷產生總量為26 454.1 t.考慮到相關的回收量，2010年河南省生活污水處理甲烷凈排放總量為21 764.1 t，折合二氧化碳當量為457 046.1 t.

2 生活污水處理甲烷排放分析

將河南省2010 與2005年生活污水處理CH4排放量進行比較，具體結果見表4. 從表4可知，2005年河南省生活污水排放量為139 088 萬t，而生活污水處理廠回收處理污水93 075 萬t，生活污水處理率為66. 92%;2010年河南省生活污水排放量為201 468 萬t，而生活污水處理廠回收處理污水185 560萬t，生活污水處理率為92.10%.可以看出2010年生活污水處理率相對于2005年有了大幅度提升.這主要得益于期間污水處理廠的大力建設.截止2010年底，全省已建成城市污水處理廠146 座，建成鄉鎮污水處理廠27 座，而2005年全省才建成31 座城市生活污水處理廠.

2010年生活污水在處理系統中產生CH4較2005年有較大增加.主要是因為河南省近幾年污水處理廠的建設加快，污水處理量迅速增加，處理系統削減的BOD 總量增加.2010年直接排入自然水體和處理后的生活污水排入自然水體產生CH4較2005年有較大幅度的減少，主要是因為2010年河南省的污水處理率比2005年提高了很多，導致直接排入自然水體的BOD 總量下降.

表4 2005年與2010年生活污水處理CH4排放量比較

2010年河南省生活污水處理過程中CH4回收量占總產生量的17.73%，回收量同比2005年的零回收量有較大的突破.

3 工業廢水處理甲烷排放量估算

3.1 估算方法

工業廢水處理甲烷排放計算采用文獻［7］提供的優良作法即排放系數法，具體公式為

式中:ECH4為甲烷排放量，kg/a;i 表示不同的工業行業;TOWi為工業廢水中可降解有機物的總量，表示每年可降解的COD 量，kg/a;Si為以污泥方式清除的有機物總量，kg/a;EFi為排放因子，表示甲烷和COD 的質量比;Ri為甲烷回收量，kg/a.

3.2 活動水平數據

工業廢水經處理后，一部分進入生活污水管道系統，其余部分不經過城市下水管道直接進入江河、湖海等環境系統. 因此，為了不導致重復計算，將每個工業行業的可降解有機物即活動水平數據分為兩部分:處理去除的COD 和直接排入環境的COD，根據相關統計資料可以獲得.2010年河南省工業廢水排放量為15.04 億t，占污水排放量的42%;主要污染物化學需氧量排放量為61.97 萬t，比上年減少0.65 萬t［9］，其中河南省重點調查單位工業廢水排放量為138 427.5 萬t，占全省工業廢水排放比例的92.03%.另外，2010年工業廢水甲烷回收總計為8 123 萬m3，根據甲烷密度，可以計算出2010年河南省工業廢水處理甲烷回收量為54 424.10 t.

3.3 排放因子數據

廢水處理時甲烷的排放能力因工業廢水類型而異，不同類型的廢水具有不同的甲烷排放因子，涉及甲烷最大生產能力和甲烷修正因子. 各區域各行業工業廢水具體的甲烷修正因子通過現場試驗和專家判斷等方式獲得，排放因子EF 由甲烷修正因子和甲烷最大生產能力B0相乘求得，B0和EF 這里均表示甲烷和COD 的質量比.表5給出了各行業工業廢水的MCF 值、排放因子EF.

表5 工業廢水處理甲烷排放的排放因子

3.4 估算結果及分析

根據上面給出的活動水平和排放因子可以計算出2010年河南省工業廢水處理系統CH4排放量為145 737.66 t;直接排入環境CH4產生量為7 295.77 t.2010年河南省工業廢水處理CH4總計產生量為153 033.43 t.考慮到相關企業的CH4回收情況，各行業的廢水處理CH4回收量為54 424.10 t;2010年河南省工業廢水處理CH4凈排放量為98 609.33 t，折合二氧化碳當量為2 070 795.93 t.

2010年河南省工業廢水同比2005年增加2.69 億t，但工業廢水處理CH4凈排放量卻減少39 521.5 t.主要是2010年的CH4回收量比2005年增加5 倍多，達到54 424.10 t.詳見表6.

表6 2010 與2005年工業廢水處理CH4排放量比較

通過分析2010年河南省不同行業工業廢水處理CH4產生量，可以看出，食品和飲料及煙草制造業、造紙及紙制品業、醫藥制造業等3 種工業的廢水是主要的CH4產生貢獻者，CH4產生量占總產生量的83.56%，共產生CH4127 880.40 t. 其中，食品、飲料和煙草制造業廢水處理的CH4產生量最大，為60 537.24 t，占2010年工業廢水處理CH4總產生量的39.56%;其次是造紙及紙制品業(54 111.67 t，占35.36%);再次是醫藥制造業(13 231.51 t，占8.65%).化學原料及制品、化學纖維業、皮革毛皮制造業的工業廢水處理CH4產生量相對不大，分別占總產生量的4.98%，4.75%，2.80%.

4 結 語

選擇2010年河南省污水處理過程中的活動水平數據，結合河南省污水處理過程中CH4的實際情況，選擇相關的排放因子，對2010年河南省生活污水、工業廢水處理過程中CH4排放量進行估算.2010年河南省生活污水CH4凈排放量21 764.10 t，工業廢水處理CH4凈排放量98 609.33 t.2010年河南省生活污水產生的CH4凈排放量同比2005年增加7 087.69 t，工業廢水產生的CH4凈排放量同比2005年下降39 521.50 t.食品、飲料和煙草制造業廢水處理的CH4產生量最大，其次是造紙及紙制品業廢水處理.CH4的直接污水處理回收工藝即污泥的厭氧硝化工藝，間接污泥回收及污水處理系統CDM 機制將是下一步研究的重點.

［1］丁維新，蔡祖聰.溫度對甲烷產生和氧化的影響［J］.應用生態學報，2003，14(4):604－608.

［2］李圭白，張杰.水質工程學［M］.北京:中國建筑工業出版社，2005.

［3］柳巖，孫德智，倫小秀.污水輸送和污水處理過程中CH4產生與排放特征及影響因素研究進展［J］.環境污染與防治，2012，34(5):91－95.

［4］IPCC.Climate change 2007:mitigation of climate change［M］.Cambridge:cambridge university press，2007.

［5］Schalk-otte S，Seviour R J，Kuenen J G，et al.Nitrous oxide(N2O)production by Alcaligenes faecalis during feast and famine regimes［J］. Water Research，2000，34(7):2080－2088.

［6］王金鶴.城鎮污水處理廠中溫室氣體的釋放研究［D］.濟南:山東大學，2011.

［7］IPCC.IPCC Guidelines for national greenhouse gas inventories［R］.Washington D C:IPCC，2006.

［8］國家發改委氣候司. 省級溫室氣體清單編制指南(試行)［M］.北京:出版社不詳.2011.

［9］河南省環境信息中心.2010年河南省城鄉建設統計資料匯編［R］.鄭州:河南省環境信息中心，2011.